JP3683451B2

JP3683451B2 - セラミック摺動部品

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Publication number: JP3683451B2
Application number: JP30905299A
Authority: JP
Inventors: 雅人谷口; 光貢小野田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: JP2001130975A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のタペット、ロッカーアーム、バルブブリッジ等の動弁系摺動部品や、エンジン駆動系を利用して作動する油圧回路のピストン等に適したセラミック摺動部品及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、上記のような摺動部品は、摺動面を耐磨耗性に優れたセラミック部材により形成したものが増え、例えば、自動車用エンジン部品に代表される機械摺動部品においては、カム摺動面をセラミック体にて形成したものがある。そのような機械摺動部品は、片当たりによる偏磨耗等の防止を目的として摺動時に部品に回転を生じさせるために、摺動面に凸形のクラウニングを形成することが多い。本発明者らも、例えば特開昭６３−２２５７２８号公報等において、摺動面に接合母材（具体的には、鋼等の金属体である）よりも熱膨張率の小さい耐磨耗部品（具体的には窒化珪素等のセラミック体である）を加熱接合し、熱膨張差により摺動面にクラウニング形状を形成する方法を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
エンジンの高性能化、高速化が進むにつれ、上記接合体にて構成されるタペット等の摺動部品の使用環境はますます厳しくなってきており、より耐久性に優れた接合体が求められている。そして、本発明者らの検討によると、金属体とセラミック体との接合時の熱膨張差によりクラウニングを施した摺動部品の場合、上記のような非常に過酷な条件下での使用が前提になると、製品ロット中のクラウニングプロファイルのばらつき等に起因して、必ずしも十分な片当たり防止効果が発揮されなかったり、あるいはセラミック体の耐久性能が損なわれるなどの不具合が発生しやすいことが判明した。
【０００４】
例えば、クラウニングが小さければ（摺動面の曲率半径が大きければ）、本来の目的の片当たりを防止できず、逆に大きければ（曲率半径が小さければ）、カム等の相手部材との接触面積が減り、面圧が増大するため、特に摺動面がセラミック体で形成されている場合、相手部材をアタックして、その相手部材が磨耗してしまう等の問題が発生する。また、カム摺動面を構成するセラミック体を金属体にろう付け接合したタペットの場合、カムとの片当たりが発生すると、カムの摺動に伴いセラミック体の外周部に応力が集中してしまい、セラミック体の外周部が欠けたり、ろう付け部に変形をきたし接合界面を基点としたクラックや剥離が生じやすくなるといった問題がある。
【０００５】
本発明の課題は、クラウニングの形成量を適切な条件にて制御することにより、苛酷な使用条件下でもクラウニング付与による十分な片当たり防止効果が達成され、また、カム等の相手部材の磨耗等を抑制することができるセラミック摺動部品を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
セラミック摺動部品では、セラミック体により形成される摺動端面の耐久性を大きく左右する因子として、摺動端面と相手部材との当たり方が挙げられる。それより、摺動端面における片当たりを防止するために、摺動端面にはクラウニングが付与されている。しかしながら、セラミック摺動部品として、例えば摺動端面がカム摺動面であるタペットで考えた場合、タペットが組み付けられるエンジン側のブロック穴の加工精度や、相手部材であるカムの加工精度（例えばカムテーパやカム幅の形成精度）等の影響により、カムがカム摺動端面の最外周にエッジ当たり（片当たり）するようなことが懸念されることから、それら加工精度の交差の上限を想定してクラウニングの形成量を決定しなければならない。そのため、クラウニングの形成量を大きくし、換言すればクラウニングの曲率半径を小さくして片当たりを防止する必要がある。しかしながら、クラウニングの形成量は大きくなる程、カムとカム摺動面との面圧が上昇し、さらには摺動端面が機械的強度に優れるセラミック体により形成されることも起因して、相手部材をアタックして偏磨耗やピッチング等の磨耗を生じさせてしまう。そこで、本発明者らは鋭意検討を行った結果、相手部材との片当たりは摺動端面の外縁側近傍のクラウニングの形成量に左右される一方で、面圧増大による相手部材へのアタックは、摺動端面の中心側近傍のクラウニングの形成量に左右されるものであり、これらの要因はクラウニングの曲率半径がほぼ一律で形成されているがために起こりうるものであることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
【０００７】
つまり、本発明のセラミック摺動部品の構成は、金属体にセラミック板がろう付けにて接合されるとともに、そのセラミック板の前記金属体への接合面と反対側の端面が摺動端面とされたセラミック摺動部品において、その摺動端面には、その外縁を包含する平面を端面基準面として、中心側が該端面基準面から突出する曲面状のクラウニングが形成されており、該摺動端面における中心点から離間した任意の点に境界点を定め、摺動端面の内でその境界点から外縁に向かう部分を周辺部とし、その境界点から中心点に向かう部分を中心部としたときに、前記周辺部と前記中心部との双方にクラウニングが施され、かつ、前記周辺部にあたるクラウニングの曲率半径の平均値Ｒ１が、前記中央部にあたるクラウニングの曲率半径の平均値Ｒ２に対し、Ｒ１＜Ｒ２の関係を満足するとともに、摺動端面において、その中心点から外縁までの端面基準面と平行な向きの距離をＤとし、前記中心点から０．８Ｄ以上０．９Ｄ以下の範囲に前記境界点が設定されることを特徴とする。
【０００８】
そして、上述のように摺動端面における所定の点を境に、クラウニングの曲率半径の平均値を調整する（変化させる）構成を図ることにより、相手部材との片当たりを防止するとともに、面圧増大による相手部材へのアタック等を有効に抑制し、摺動性に優れるセラミック摺動部品を提供することができるのである。
【０００９】
また、例えば、当該セラミック摺動部品をタペットとして用いた場合、高速回転時に上記０．８Ｄよりも周辺部側にて荷重が高くなりやすいので、その０．８Ｄ以上０．９Ｄ以下の範囲に上記境界を設定してクラウニングの曲率半径の平均値を上記のように調整する。
【００１０】
なお、クラウニングの曲率半径は０．８Ｄの位置において、不連続に（２段階に）変化していても、また、少なくとも０．８Ｄを含む半径方向の区間において連続的に変化していてもよい。この場合、０．８Ｄの位置において、より滑らかな摺動端面を形成することが可能である。なお、摺動端面の全体に渡って、クラウニングの曲率半径を連続的に変化させることも可能である。
【００１１】
上記Ｒ１とＲ２は、５×Ｒ１＜Ｒ２の関係を満足するのがよい。このようなクラウニングの曲率半径の平均値の差を付与することで、苛酷な使用条件下でも、面圧増大による相手部材へのアタック防止、及びクラウニング付与による十分な片当たり防止効果が一層顕著となり、摺動性・耐久性に極めて優れたセラミック摺動部品を提供することが可能となる。
【００１２】
一方、摺動端面の表面粗さは、前記中央部よりも前記周辺部の方を粗くすることができる。上記のようなクラウニングを施した摺動端面の周辺部は、相手部材と接触する機会が少ないため、この部分の表面粗さを中央部よりも粗くすることができる。こうすると、後述する研磨等の製造工程で、周辺部において加工効率が良くなるため経済的となる。また、表面の粗い周辺部において潤滑油等の油を保持する効果も達成される。なお、中央部は摺動効果のため、粗さが小さい方が良い。なお、ここでいう表面粗さは、ＪＩＳ−Ｂ０６０１に規定された算術平均粗さのことであり、カットオフ値及び評価長さを該ＪＩＳに推奨された値を採用して測定されたものをいう。
【００１４】
セラミック板の摺動端面の曲率半径を上記のように調整する方法としては、セラミック板の厚さを、中央部側において大きくし、周辺部側において小さくする方法がある。このような摺動端面形状を形成するには、例えばその摺動端面を研削する方法がある。この場合、例えば平坦な板状のセラミック板において、その周辺部には中央部よりも大きいクラウニングを形成するため多めの研削を行い、他方、中央部には周辺部よりも小さいクラウニングを形成するために、該周辺部よりも少なめの研削を行うと、結果として、上記のようにセラミック板の厚さは中央部側において大きくされ、周辺部側において小さくされる。なお、ここでいう厚さは、端面基準面と直交する向きの距離を指すものとする。
【００１５】
また、セラミック板の摺動端面にクラウニングを施す方法としては、ろう付け接合されるセラミック板と金属体との熱膨張差を利用する方法がある。この場合、中央部の曲率半径を大きくするため、上記金属体とセラミック板とを、接合面の内で摺動端面における周辺部と対向する部分をろう付けにて接合し、摺動端面における中央部と対向する部分を非接合とすることができる。一方、金属体とセラミック板との間に、互いの接合面よりも小面積の緩衝部材を摺動端面の中央部と対向する位置に配置し、それら接合面の内で該緩衝部材の存在しない残余の部分において、それら金属体とセラミック板とをろう付け接合する一方、該中央部と対向する互いの接合面においては、緩衝部材を介してろう付け接合することができる。この場合、緩衝部材の配置された中央部と対向する互いの接合面において熱応力が緩和されるため、中央部に形成されるクラウニングの曲率半径が、緩衝部材の働きを受けない周辺部よりも大きくなる。この緩衝部材としては、例えばＣｕやＮｉ等の軟質金属を主体とするもので構成でき、自身の塑性変形により上記熱応力を緩和する働きをなす。また、Ｗ合金やコバール等、セラミック部と金属本体部との中間の線膨張係数を有する材質で緩衝部材を構成してもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明のセラミック摺動部品たるタペットが使用されたオーバーヘッドバルブ機構を示している。カム１００の回転によりタペット１及びプッシュロッド１０３が上下運動し、ロッカーアーム１０２を介してバルブ１０１を開閉させる。図２は、タペット１の拡大図である。該タペット１は、ろう材層３を介して、金属体（以下、タペット金具ともいう）２とセラミック体（以下、セラミック板ともいう）４とが、その中心軸線がほぼ一致する形態で接合された構造を有している。タペット金具２は鉄系材料にて構成され、円状断面の本体部１ａの一方の端部側に、軸線方向のプッシュロッド挿通孔１ｃを開口する一方、他方の端部側に本体部１ａよりも大径の摺動基体部１ｂが一体形成された形状をなす。他方、セラミック板４は窒化珪素の焼結体として円板状に構成され、摺動基体部１ｂの平坦な先端面に重ね接合されている。また、ろう材層３を構成するろう材は、Ｃｕ系あるいはＡｇ系ろう材が使用される。そして、セラミック板４の、ろう材層３と接しているのとは反対側の端面がカム１００との摺動端面４ａとされている。
【００１７】
セラミック板４の摺動端面４ａには、図３にやや誇張して示すように、その外縁７を包含する平面ｆを端面基準面として、中心側が該端面基準面ｆから突出する曲面状クラウニング（中央部が突出する小さな曲率）が施されている。そのクラウニングの曲率半径は、摺動端面４ａの位置により異なり、具体的には、摺動端面４ａの中心点６から外縁７までの端面基準面ｆと平行な向きの距離をＤとし、中心点６から０．８Ｄにある位置を境界点に定め、摺動端面の内でその境界点から外縁７に向かう部分を周辺部４ｂとし、その境界点から中心点６に向かう部分を中央部４ｄとし、周辺部４ｂの曲率半径の平均値をＲ１、中央部４ｄの曲率半径の平均値をＲ２としたときに、Ｒ１＜Ｒ２とされている。より詳しくは、Ｒ１×５＜Ｒ２の関係を満足するものとされており、例えば本実施例の場合、Ｒ１が約２５００ｍｍ、Ｒ２が約２００００ｍｍとされている。
【００１８】
このようなクラウニング形状は、後述するような研削により形成され、周辺部４ｂにおいては曲率半径の小さいクラウニングを形成するために研削量が大きくされており、逆に中央部４ｄにおいては研削量は小さくされている。従って、セラミック板４の厚さ（端面基準面ｆと直交する方向の距離）は中央部４ｄにおいて大きく、周辺部４ｂにおいて小さくなっている。
【００１９】
また、上記中央部４ｄと周辺部４ｂの曲率半径の平均値Ｒ１，Ｒ２は、少なくとも上記０．８Ｄを含む半径方向の区間において連続的に変化している。すなわち、その０．８Ｄを含む区間において、摺動端面４ａに段差が形成されておらず、滑らかな摺動面になっている。一方、摺動端面４ａの表面粗さは、摺動効率等を考慮して中央部４ｄよりも周辺部４ｂの方が粗くされている。
【００２０】
次に、金属体２を構成するＦｅ系材料としては、各種炭素鋼、合金鋼（ステンレス鋼あるいは耐熱鋼を含む）、あるいは鋳鉄を使用できる。例えばＪＩＳに規定されたものでは、次のようなものを例示できる（組成の単位は重量％）。
(１)機械構造用Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼：ＳＮＣＭ６３０（Ｃ：０．２５〜０．３５、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．３５〜０．６０、Ｎｉ：２．５〜３．５、Ｃｒ：２．５〜３．５、Ｍｏ：０．５〜０．７、残Ｆｅ（単位：重量％、以下同じ））、ＳＮＣＭ４３９（Ｃ：０．３６〜０．４３、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．６〜０．９０、Ｎｉ：１．６〜２．０、Ｃｒ：０．６〜１．０、Ｍｏ：０．１５〜０．３、残Ｆｅ）、ＳＮＣＭ４４７（Ｃ：０．４４〜０．５０、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．６〜０．９０、Ｎｉ：１．６〜２．０、Ｃｒ：０．６〜１．０、Ｍｏ：０．１５〜０．３、残Ｆｅ）等。
(２)機械構造用Ｃｒ−Ｍｏ鋼：ＳＣＭ４４５（Ｃ：０．４３〜０．４８、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．６〜０．８５、Ｃｒ：０．９〜１．２、Ｍｏ：０．１５〜０．３、残Ｆｅ）等。
(３)機械構造用Ｃｒ鋼：ＳＣｒ４４０（Ｃ：０．４３〜０．４８、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．６〜０．８５、Ｃｒ：０．９〜１．２、残Ｆｅ）、ＳＣｒ４１５（Ｃ：０．１３〜０．１８、Ｍｎ：０．６０〜０．８５、Ｃｒ：０．９０〜１．２０、残Ｆｅ（単位：重量％））等。
(４)機械構造用炭素鋼：Ｓ５０Ｃ（Ｃ：０．４７〜０．５３、Ｍｎ：０．６〜０．９、残Ｆｅ）等。
【００２１】
また、セラミック体４は、例えば窒化珪素を主体に構成することができる。窒化珪素は機械的強度、耐磨耗性及び耐食性に優れ、例えばタペットなど、高温・高負荷かつ腐食性の苛酷な環境下で使用される動弁系摺動部品においても、十分な強度及び耐久性を確保することが可能である。なお、窒化珪素以外では、サイアロン、炭化珪素、窒化アルミニウム等も使用も可能である。
【００２２】
また、ろう材層３を形成するためのろう材は、Ａｇを主成分とするＡｇ系ろう材を使用することができる。本発明にて使用可能なＡｇ系ろう材には、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材（Ｃｕ：２０〜４０、Ｔｉ：０．５〜４、残部Ａｇ（単位：重量％、以下同じ））、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系ろう材（Ｃｕ：１５〜３０、Ｉｎ：８〜１５、Ｔｉ：０．５〜４、残部Ａｇ）等がある。Ａｇ系ろう材を使用した場合のろう材層の厚さは、５〜６０μｍの範囲にて調整するのがよい。厚さが６０μｍを超えると、接合強度の低下を招く場合がある。一方、厚さが５μｍ未満では接合不良（接合面積率の不足等）につながる場合がある。
【００２３】
一方、Ｃｕを主成分とするＣｕ系ろう材を使用すれば、ろう材層の耐熱性、ひいては接合体の高温接合強度をさらに高めることができる。Ｃｕ系ろう材としては、Ｃｕを８０重量％以上含有するものを使用することで、接合部の耐熱性にとりわけ優れた接合体を得ることができる。Ｃｕ系ろう材としては、具体的にはＣｕ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｔｉ系のろう材を使用することができる。Ｃｕの含有量は前述の通り８０重量％以上に設定することで、ろう材層の耐熱性が特に良好となる。Ａｌは主にろう材の融点を調整する働きをなし、含有量が高いほどろう材の融点が低下する。一方、Ｓｉはろう材が溶融してできる液相の流れ性を高め、空隙等の欠陥が少ない接合構造を形成するのに寄与する。ただし、Ｓｉ含有量が０．１重量％未満になると液相の流動性改善効果が乏しくなり、逆に８重量％を超えるとろう材層が脆弱化して接合強度の低下につながる場合がある。
【００２４】
なお、活性金属成分たるＴｉ（ＺｒやＨｆ等も使用できる）が１０重量％を超えるとセラミック体（被接合体）との界面反応生成物の量が増大して接合強度が低下するため、活性金属の含有量は１０重量％以下、望ましくは５重量％以下の範囲で調整するのがよい。なお、Ａｌの含有量は、Ｓｉ及び活性金属成分の含有量と、ろう材の狙い融点（固相線温度）とを勘案して、０．１〜５重量％の範囲で適宜調整する。なお、上記以外のＣｕ系ろう材としては、Ｃｕ−Ｐｄ−Ｓｉ−Ｔｉ系、Ｃｕ−Ｓｉ−Ｔｉ系、Ｃｕ−Ｓｉ系等を使用できる。
【００２５】
Ｃｕ系ろう材を使用した場合のろう材層の厚さは、３０〜１００μｍの範囲にて調整するのがよい。厚さが１００μｍを超えると、接合強度の低下を招く場合がある。一方、厚さが３０μｍ未満では接合不良（接合面積率の不足等）につながる場合がある。
【００２６】
なお、ろう材層３と金属体２あるいはセラミック体４との各隣接境界（あるいは接合界面）は、成分拡散等のため一般には不明瞭となることが多い。具体的には、各隣接境界付近に、成分の拡散ないし反応により拡散層あるいは反応層（以下、両者を総称して拡散・反応層という）が形成されることがある。本明細書においては、図４に示すように、金属体とセラミック体との接合方向において、セラミック体を構成する金属イオンあるいは珪素イオン等のカチオン成分のうち、最も含有量の高いもの（以下、主カチオン成分という）の濃度をセラミック体側からろう材層側に向けて分析した場合に、該主カチオン成分濃度の分析値レベルが、その平均濃度Ｃmの１／２となる位置を、セラミック体とろう材層との境界ＢXとして定めるものとする。また、同様に金属体を構成する金属成分のうち、最も含有量の高いもの（以下、主金属成分という）の濃度を金属体側からろう材層側に向けて分析した場合に、該主金属成分濃度の分析値レベルが、その平均濃度Ｍmの１／２となる位置を、金属体とろう材層との境界ＢYとして定めるものとする。そして、両境界間の距離をろう材層の厚さｔとして定義する（ただし、ろう材層の厚さに分布を生じている場合には、その平均値にて代表させるものとする）。なお、このような分析は、電子プローブ・マイクロ・アナライザ（ＥＰＭＡ）、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光）及びＷＤＳ（波長分散型Ｘ線分光）、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）等の公知の方法により実施することができる。
【００２７】
なお、本発明において、タペットの形状は図２に示すものに限定されない。例えば、図５（ａ）に示すように、プッシュロッド挿通孔２ｃを摺動基体部２ｂ内に入り込む位置まで延長してもよいし、同図（ｂ）に示すように、本体部２ａと摺動基体部２ｂをほぼ同一径とし、全体をカップ状に構成してもよい。また、摺動部分がセラミックで形成されたものであれば、タペット以外の摺動部品に適用することが可能である。
【００２８】
以下、上記タペット１のクラウニング形状の形成方法について説明する。
まず、接合面が平坦な金属体２０と、摺動端面とその摺動端面と反対側の端面にあたる接合面とが平坦なセラミック体４０とをろう付け接合し、図６（ａ）に示すような、ろう材層３０を介した接合体１００を得る。次に、得られた接合体１００の摺動端面４０ａに研削加工を施す。加工は、図６（ａ）に示すように、円筒状の砥石（以下、カップ砥石ということもある）５０を用いて、摺動端面に球面状のクラウニングを施すことができる。具体的には、カップ砥石５０の中心軸線Ｏ２を、接合体１００の中心軸線Ｏ１に対して所定角度傾斜させ、両者をそれぞれ自身の中心軸線を中心として回転させつつ、両者を相対的に接近させ、カップ砥石５０の端面にて研削することにより行う。角度θを適宜変化させることで、様々な大きさの曲率半径を有する球面を得ることが可能となり、角度θが大きいほど曲率半径は小さくなる。
【００２９】
具体的には、図６（ａ）のように、まず、角度θ１を１．５°≦θ１≦２．０°に設定して、砥石５０（例えば、粒度♯８００）により、比較的小さい曲率半径（Ｒ１に相当）の球面加工を摺動端面４０ａの周辺部に施す。その後、図６（ｂ）に示すように、角度θ２をθ１よりも小さい角度、１．０°≦θ２＜１．５°に設定して、砥石５０により、比較的大きい曲率半径（Ｒ２に相当）で球面加工を摺動端面の中央部に施す。
【００３０】
例えば、θ１を１．５°として粒度＃８００の砥石５０を用いることにより、周辺部４ｂにおいて、曲率半径Ｒ１が約２５００ｍｍで、算術平均粗さＲａが約０．１μｍの球面が形成され、他方、θ２を１．０°として粒度＃２５００の砥石５０を用いることにより、中央部４ｄにおいて、曲率半径Ｒ２が約２００００ｍｍで、算術平均粗さＲａが約０．０３μｍの球面が形成され、図２に示したようなクラウニング形状のタペット１が得られる。なお、角度θは、上記のように２段階に変化させる以外にも、θ１からθ２の間で連続的に角度を変化させて、摺動端面において曲率半径がＲ１からＲ２に連続的に変化する球面加工を施すことも可能である。
【００３１】
また、このような研削加工以外にも、次のような方法により図２に示すようなクラウニング形状を形成することが可能である。例えば、図７に示すように、金属体２０とセラミック体４０との間に緩衝板（緩衝部材）６０を介挿してろう付け接合することができる。この緩衝板６０は、例えばＣｕやＮｉ等の軟質金属を主体とするもので構成され、自身の塑性変形により、ろう付け接合後の冷却時等において、金属体２０とセラミック体４０との間に発生する熱応力を緩和する働きをなす。なお、緩衝板６０は、Ｗ合金やコバール等、セラミック体４０と金属体２０との中間の線膨張係数を有する材質で構成してもよい。
【００３２】
この緩衝板６０は、金属体２０の接合端面中央部に穿設された凹部２１に、金属側ろう材層３１を介してろう付け接合されて設置される。その後、金属体２０において凹部２１が形成されていない接合端面２２には、ろう材層３０を介してセラミック体４０がろう付け接合される。なお、緩衝板６０のセラミック体４０側にもろう材層３０が介されてろう付け接合される。このように、緩衝板６０を介してろう付け接合されたタペット１は、セラミック体４の摺動端面が図７（ｂ）に示すようなクラウニング形状を有する。すなわち、緩衝板６０が設置された中央部の摺動端面４ｄは、該緩衝板６０による熱応力の緩和により、曲率半径（曲率半径の平均値）の大きいクラウニングが形成され、一方、緩衝板６０が設置されていない周辺部の摺動端面４ｂは、上記熱応力の影響を大きく受けて、曲率半径（曲率半径の平均値）の小さいクラウニングが形成されている。なお、本実施例では金属体２０に凹部２１を設けて緩衝板６０を設置したが、セラミック体４０に凹部を設けて緩衝板を設置することも可能である。なお、図７においては、ろう材層の厚さを誇張して描いてある。
【００３３】
また、図８に示すように、金属体２０とセラミック体４０との互いの接合面において、周辺部側をろう付け接合し、中央部側を非接合として、上記クラウニング形状を形成することも可能である。具体的には、金属体２０の接合端面の中央部に該接合端面から突出する凸部３３を設け、その凸部３３の周縁外側においてのみろう付け接合する。このような方法により製造されるタペット１は、セラミック体４の摺動端面が図８（ｂ）に示すようなクラウニング形状を呈する。すなわち、ろう付け接合されたセラミック体４０の摺動端面の内で周辺部４ｂは、熱応力の影響を大きく受けて曲率半径（曲率半径の平均値）の小さいクラウニングが形成され、一方、摺動端面の内で中央部４ｄは、非接合とされているため熱応力の影響を受けにくく、曲率半径（曲率半径の平均値）の大きいクラウニングが形成されている。
【００３４】
【実施例】
本発明のタペット（接合体）１の性能を確認するために、以下の条件で試作品を製作した。まず、鋼材として、ＪＩＳに規定された合金鋼ＳＮＣＭ６３０、及びＳＮＣＭ４３９を鍛造、機械研削することにより図２に示した形状で、ｔ１＝５０ｍｍ、ｄ＝φ１８ｍｍのタペット金具２を作製した。他方、Ｓｉ_３Ｎ_４原料１００重量部に対し、Ａｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３系焼結助剤１０重量部と、成形バインダ５重量部とを配合して金型プレスにて成形し、さらに脱バインダした後、Ｎ_２ガス雰囲気で１７００℃にて２時間焼成して、円板状の焼成体を得た。こうして得られた焼成体の両面を研磨してセラミック板４を作成した。なお、図２においてＤ１＝φ３０ｍｍ、ｔ２＝１．５ｍｍ（セラミック板の厚さに相当）である。そして、上記タペット金具２とセラミック板４との間にろう材箔を挟み込み、真空雰囲気にてろう付け接合することにより、図２に示す形状のタペット１を得た。なお、タペット試験品は、鋼材、ろう材種、ろう付け温度を変化させて、表１に示す２種類のタペットI，IIを用意した。
【００３５】
【表１】

【００３６】
このような条件のろう付け接合により作製されたタペットIの摺動端面、すなわちセラミック板４の摺動端面には、曲率半径が約５６２５ｍｍのクラウニングがほぼ一律に形成され、一方、タペットIIの摺動端面には、曲率半径が約１６０７ｍｍのクラウニングがほぼ一律に形成されていた。
【００３７】
次に、これらタペットI，IIを図６に示した加工方法により、表２に示すように曲率半径の平均値Ｒ１、Ｒ２、及びφＤ２／φＤ１がそれぞれ異なるタペットを作製した。φＤ２／φＤ１は、図２に示すように、中央部４ｄの外径φＤ２と、周辺部４ｂの外径φＤ１との比を表している。タペットＮｏ．１〜８は比較例で、セラミック体４の摺動端面４ａがほぼ一律の曲率半径（便宜上Ｒ２とする）を有したものであり、タペットＮｏ．９〜２４は本発明の実施例で、周辺部（曲率半径Ｒ１）と中央部（曲率半径Ｒ２）とで異なる曲率半径を有し、それぞれ異なるφＤ２／φＤ１を有している。なお、クラウニングの曲率半径Ｒ１及びＲ２は、形状測定機、あるいは三次元測定器でそれぞれ５ポイント以上のデータを採取し、それぞれの平均にて算出した。
【００３８】
このように得られた各タペットを、２６０００ｃｃ、Ｖ型１２気筒のディーゼルエンジンに組込み、モータリング試験を実施した。運転条件は、磨耗及び衝撃力を増加させるために以下の設定で実施した。カム回転数：２４００ｒｐｍ（定格×１５０％）、タペットクリアランス：０ｍｍ、耐久時間：１０００時間である。これら条件は、いずれも実車１００万ｋｍ走行相当の衝撃を想定した苛酷なものであり、エンジンオイルも５万キロ走行相当の劣化品を使用して、エンジン温度が比較的上昇しやすい環境を作為的に形成している。
【００３９】
なお、耐久後のセラミック状態の評価は、耐久前後で超音波探傷法による接合面積率が１％以上変化したもの（剥離発生に相当）をＮＧとし、それ未満のものを合格（ＯＫ）とした。また、このモータリング試験後に、セラミック体において、欠け、クラック等が発生しなかったものについて、磨耗試験によりカム及びタペットに生じた磨耗を評価した。磨耗の評価は、表面粗さ計で断面形状を測定し、最も磨耗していた箇所の数値をとることにで行った。結果を表２に示す。
【００４０】
【表２】

【００４１】
この結果から明らかなように、金属体（鋼材）やろう材の材質、及びろう付け条件によらず、上記したＲ１とＲ２の関係（Ｒ１＜Ｒ２、望ましくは５×Ｒ１＜Ｒ２）を満足している実施例のものはモータリング耐久試験に合格し、耐久後のセラミック体摺動端面には欠け、クラックが発生しておらず、また、カム、タペットのいずれにも大きな磨耗が発生していなかった。一方、比較例の場合、一律の曲率半径をいずれの値に設定しても、セラミック体摺動端面に欠けやクラックが発生したり、あるいはカムにピッチング磨耗等が発生したりしていた。なお、実施例のタペットについて、例えばＮｏ．９〜１２を比較すると、φＤ２／φＤ１の値が７５〜９０％の間で小さいほどカム磨耗及びタペット磨耗（セラミック体の摺動端面の磨耗）が大きくなる傾向がある。このことから、曲率半径が異なる中央部と周辺部の境界は、φＤ２／φＤ１の値が８０〜９０％である位置に設定することが好ましいことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のタペットを含むオーバーヘッドバルブ機構の正面図。
【図２】図１のタペットの拡大図。
【図３】図１のタペットの摺動端面を拡大して示す図。
【図４】ろう材層の概念を示す説明図。
【図５】タペットのいくつかの変形例を示す縦断面図。
【図６】タペットに対してクラウニングを形成するための加工方法を説明する図。
【図７】タペットの一変形例を示す図。
【図８】タペットの異なる変形例を示す図。
【符号の説明】
１タペット（セラミック摺動部品）
２タペット金具（金属体）
３ろう材層
４セラミック板（セラミック体）
４ａ摺動端面
４ｂ周辺部
４ｄ中央部
５０砥石
６０緩衝板（緩衝部材）

Claims

金属体にセラミック板がろう付けにて接合されるとともに、そのセラミック板の前記金属体への接合面と反対側の端面が摺動端面とされたセラミック摺動部品において、その摺動端面には、その外縁を包含する平面を端面基準面として、中心側が該端面基準面から突出する曲面状のクラウニングが形成されており、該摺動端面における中心点から離間した任意の点に境界点を定め、摺動端面の内でその境界点から外縁に向かう部分を周辺部とし、その境界点から中心点に向かう部分を中心部としたときに、前記周辺部と前記中心部との双方にクラウニングが施され、かつ、前記周辺部にあたるクラウニングの曲率半径の平均値Ｒ１が、前記中央部にあたるクラウニングの曲率半径の平均値Ｒ２に対し、Ｒ１＜Ｒ２の関係を満足するとともに、
前記摺動端面において、その中心点から外縁までの前記端面基準面と平行な向きの距離をＤとし、前記中心点から０．８Ｄ以上０．９Ｄ以下の範囲に前記境界点が設定されることを特徴とするセラミック摺動部品。
前記Ｒ１とＲ２は、５×Ｒ１＜Ｒ２の関係を満足する請求項１記載のセラミック摺動部品。
前記摺動端面の表面粗さが、前記中央部よりも前記周辺部の方が粗くされている請求項１又は請求項２に記載のセラミック摺動部品。
前記セラミック板の厚さは、前記中央部側において大きくされ、前記周辺部側において小さくされている請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセラミック摺動部品。
前記セラミック板において、前記接合面の内で前記周辺部と対向する部分がろう付けにて前記金属体に接合されて、一方、該接合面の内で前記中央部と対向する部分が非接合とされている請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミック摺動部品。
前記金属体とセラミック板との間には、互いの接合面よりも小面積の緩衝部材が前記中央部と対向する位置に配置され、該接合面の内で該緩衝部材の存在しない残余の部分において、それら金属体とセラミック板とがろう付け接合される一方、該中央部と対向する互いの接合面においては、緩衝部材を介してろう付け接合されている請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のセラミック摺動部品。
前記摺動端面がカム摺動面であるタペットとして構成されている請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のセラミック摺動部品。